公路路基泥質(zhì)軟巖填料的力學(xué)特性研究

李宏俊 潘少紅 楊建橋

摘 要：結(jié)合公路路基對(duì)泥質(zhì)軟巖填料的實(shí)際應(yīng)用需求，考察了泥質(zhì)軟巖填料的擊實(shí)、承載比、直剪和固化性能。結(jié)果表明，當(dāng)P5分別為50%、70%和90%時(shí)，泥質(zhì)軟巖填料的最佳含水率分別為9.86%、9.20%和8.74%，對(duì)應(yīng)的最大干密度分別為1.984g/cm3、2.144g/cm3和2.177g/cm3，擊實(shí)后P5為50%、70%和90%的試件的不均勻系數(shù)分別增加至26.26、22.11和21.32，級(jí)配明顯改善;壓實(shí)度分別為93%、94%和96%的試件的承載比平均值分別為12.1%、18.2%和25.3%;在相同的垂直壓力下，壓實(shí)度更大的泥質(zhì)軟巖填料試件的剪切強(qiáng)度會(huì)更大。當(dāng)軸向應(yīng)力分別為200kPa、400kPa和800kPa時(shí)，浸水后泥質(zhì)軟巖填料試件的濕化變形率分別為1.96%、2.67%和3.00%;浸水后泥質(zhì)軟巖填料試件的濕化變形率會(huì)隨著軸向壓力增加而增大，但是壓實(shí)度為93%時(shí)浸水后泥質(zhì)軟巖填料試件的濕化變形率整體不高。

關(guān)鍵詞：公路路基;泥質(zhì)軟巖填料;承載比;直剪;固化

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001-5922（2021）07-0058-05

Study on Mechanical Characteristics of Soft Rock Filling in Highway Subgrade

Li Hongjun， Pan Shaohong， Yang Jianqiao

（Yunnan Land and Resources Vocational College， Kunming 652501， China）

Abstract：The coMPaction， load bearing ratio， direct shear and curing properties of the argillite soft rock fillers were investigated according to the practical application requirements of the highway subgrade for argillaceous soft rock filler. The results show that when P5 is 50%， 70% and 90%， the optimal moisture content of the argillaceous soft rock filler is 9.86%， 9.20% and 8.74%， and the corresponding maximum dry density is 1.984g/cm3， 2.144g/cm3 and 2.177g/cm3， respectively. After coMPaction， the non-uniformity coefficient of the specimens with P5 being 50%， 70% and 90% increases to 26.26， 22.11 and 21.32， and the grading is significantly improved. The average load bearing ratios of the specimens with the coMPaction density of 93%， 94% and 96% were 12.1%， 18.2% and 25.3%， respectively. Under the same vertical pressure， the shear strength of argillaceous soft rock packing specimens with higher coMPacted density will be greater. When the axial stress was 200kPa， 400kPa and 800kPa respectively， the wet deformation rates of muddy soft rock packing specimens after immersion were 1.96%， 2.67% and 3.00% respectively. The wet deformation rate of muddy soft rock packing specimen increases with the increase of axial pressure， but the wet deformation rate of the argillaceous soft rock filler specimen after immersion in water is not high overall when the coMPaction density is 93%.

Key words：highway roadbed; argillaceous soft rock filler; bearing ratio; direct shear; solidification

泥質(zhì)軟巖在我國(guó)西南和西北地區(qū)有廣泛分布，在公路建設(shè)極大推廣的應(yīng)用背景下，如何將泥質(zhì)軟巖作為填料使用來(lái)解決目前填料匱乏的現(xiàn)狀[1]，不僅可以降低公路路基建設(shè)成本，還可以減少對(duì)耕地等資源的占用，是非常值得研究的課題[2-3]。雖然將泥質(zhì)軟巖應(yīng)用在公路路基中具有較好的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，但是實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中由于泥質(zhì)軟巖的強(qiáng)度較低以及風(fēng)化程度較高等缺陷，容易在完工后造成路基沉降以及開(kāi)裂等現(xiàn)象[4-7]，因此，需要對(duì)泥質(zhì)軟巖的力學(xué)特性進(jìn)行研究，包括擊實(shí)特性、剪切強(qiáng)度和壓縮固結(jié)特性等，結(jié)果將有助于泥質(zhì)軟巖在公路路基工程中的廣泛應(yīng)用，并具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

試驗(yàn)用泥質(zhì)軟巖為某公路施工現(xiàn)場(chǎng)取得的路基填料（松散碎石土及松軟粘性土及強(qiáng)風(fēng)化巖層組成），主要礦物組成為（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）：60.73SiO2、20.12Al2O3、7.10Fe2O3、5.38CaO、1.98K2O、2.33MgO、0.54TiO2、0.12Na2O，余量為其它。

采用TDJ-III型多功能電動(dòng)擊實(shí)儀對(duì)泥質(zhì)軟巖進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，共設(shè)計(jì)了3組試件，分別為P5（粒徑大于或等于5mm的含量）為50%、70%和90%，分別測(cè)試不同試件的干密度-含水率曲線[8];根據(jù)JTG-D30-2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)承載力的要求，設(shè)計(jì)了承載比為93%、94%和96%的3組試件進(jìn)行承載比試驗(yàn)（試件持續(xù)浸泡96h后開(kāi)始貫入）[9]，設(shè)備為MTS-810型液壓伺服萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)，泥巖承載力基本容許值為400kPa;采用如圖1所示的直剪儀裝置進(jìn)行泥質(zhì)軟巖填料試件的剪切強(qiáng)度測(cè)試，根據(jù)JTG/D30-2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)壓實(shí)度分別為93%、94%和96%的平行試件，以0.5mm/min的加載速率進(jìn)行剪切試驗(yàn)，并記錄剪切過(guò)程中的剪應(yīng)力等，并由此計(jì)算得到剪切強(qiáng)度[10];采用1000kN的微機(jī)控制式固結(jié)儀對(duì)泥質(zhì)軟巖填料進(jìn)行壓縮固結(jié)試驗(yàn)，加載載荷從0至800MPa，加載過(guò)程中記錄泥質(zhì)軟巖填料試件的壓力和壓縮變形量等數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

圖2為泥質(zhì)軟巖填料的干密度與含水率的關(guān)系曲線。可見(jiàn)，在3種不同的P5條件下，泥質(zhì)軟巖填料的干密度都會(huì)隨著含水率增加而先升高后降低，在中間某一含水率時(shí)取得干密度最大值。通過(guò)優(yōu)化分析可知，當(dāng)P5分別為50%、70%和90%時(shí)，泥質(zhì)軟巖填料的最佳含水率分別為9.86%、9.20%和8.74%，對(duì)應(yīng)的最大干密度分別為1.984g/cm3、2.144g/cm3和2.177g/cm3。

圖3為泥質(zhì)軟巖填料擊實(shí)前后的級(jí)配曲線。當(dāng)P5為50%時(shí)，擊實(shí)前后小于某粒徑的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)都呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，但是在相同顆粒粒徑下，擊實(shí)后小于某粒徑的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)要高于擊實(shí)后的試件;當(dāng)P5為70%時(shí)，擊實(shí)前后小于某粒徑的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)也呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，在相同顆粒粒徑下，擊實(shí)后小于某粒徑的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)同樣高于擊實(shí)后的試件;增加P5為90%時(shí)，擊實(shí)前后小于某粒徑的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)也呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，在相同顆粒粒徑下，擊實(shí)后小于某粒徑的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)高于擊實(shí)后的試件。對(duì)分分析可知，不同P5條件下，擊實(shí)前后小于某粒徑的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)隨著顆粒粒徑的變化趨勢(shì)基本相同。

表1為實(shí)前后泥質(zhì)軟巖的級(jí)配參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其中，Cu和CC分別為不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)。對(duì)比分析可知，當(dāng)P5分別為50%、70%和90%時(shí)，擊實(shí)后的P5分別減小為30%、45%和54%，且擊實(shí)后的不均勻系數(shù)都相較擊實(shí)前有明顯增大。從不均勻系數(shù)測(cè)試結(jié)果可知，在灑水和擊實(shí)作用下，3組不同P5試件的大粒徑顆粒含量都有不同程度降低，擊實(shí)后P5為50%、70%和90%的試件的不均勻系數(shù)分別增加至26.26、22.11和21.32，級(jí)配明顯改善。

2.2 承載比

對(duì)壓實(shí)度分別為93%、94%和96%的試件進(jìn)行平均膨脹量測(cè)試，結(jié)果表明，壓實(shí)度分別為93%、94%和96%的試件的平均膨脹量分別為1.40%、1.14%和0.85%，即泥質(zhì)軟巖填料的浸水膨脹量會(huì)隨著壓實(shí)度增加而逐漸減小，究其原因，這主要是因?yàn)閴簩?shí)度的增加會(huì)使得試件的干密度增大、孔隙比減小所致[11]。

圖4為泥質(zhì)軟巖填料的貫入量-壓力曲線。對(duì)比分析可知，在不同壓實(shí)度下，泥質(zhì)軟巖填料的貫入量都會(huì)隨著單位壓力的增加而逐漸增加，但是開(kāi)始加壓時(shí)的曲線會(huì)較為平緩，而加載末端曲線的斜率會(huì)增大。根據(jù)泥質(zhì)軟巖填料的貫入量-壓力曲線可以得到不同壓實(shí)度下3組試件的承載比平均值，壓實(shí)度分別為93%、94%和96%的試件的承載比平均值分別為12.1%、18.2%和25.3%，由此可見(jiàn)，泥質(zhì)軟巖填料的承載比會(huì)隨著壓實(shí)度增加而增大。

2.3 直剪試驗(yàn)

圖5 為泥質(zhì)軟巖填料試件的剪切強(qiáng)度與垂直壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，圖中分別列出了壓實(shí)度為93%、94%和96%時(shí)泥質(zhì)軟巖填料試件的剪切強(qiáng)度與垂直壓力的線性擬合曲線?？梢?jiàn)，壓實(shí)度為93%、94%和96%時(shí)泥質(zhì)軟巖填料試件的剪切強(qiáng)度與垂直壓力都滿(mǎn)足線性關(guān)系，分別為y=0.47149x+84.125、y=0.5422x+85.6和y=0.7308x+100.4。在相同的垂直壓力下，壓實(shí)度更大的泥質(zhì)軟巖填料試件的剪切強(qiáng)度會(huì)更大。

2.4 固結(jié)試驗(yàn)

根據(jù)DL/T 5356―2006《水電水利工程粗粒土試驗(yàn)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行泥質(zhì)軟巖填料固結(jié)試驗(yàn)，壓縮固結(jié)試驗(yàn)采用“單線法”進(jìn)行，分別加載至200kPa、400kPa和800kPa，下一級(jí)荷載施加的條件為上一級(jí)加載過(guò)程中的變形量小于或者等于0.05mm/h;當(dāng)壓縮固結(jié)試驗(yàn)結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)行濕化變形試驗(yàn)，即在最后一級(jí)荷載下保載1d，然后在水槽內(nèi)注水對(duì)固化試件進(jìn)行濕化，在最后一小時(shí)變形量小于或者等于0.05mm時(shí)停止?jié)窕囼?yàn)[12]。表2中列出了泥質(zhì)軟巖填料試件的壓縮性能，可見(jiàn)荷載與孔隙比、壓縮系數(shù)、壓縮模量、體積壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)的關(guān)系。

圖6為泥質(zhì)軟巖填料的壓縮特性曲線，分別列出了孔隙率-壓力和孔隙比-log（壓力）曲線。從孔隙比-壓力曲線中可知，最大荷載為200kPa、400kPa和800kPa試件的孔隙比都隨著壓力增加而減小;從孔隙比-log（壓力）曲線中可知，最大荷載為200kPa、400kPa和800kPa試件的孔隙比都隨著壓力對(duì)數(shù)增加而減小。

圖7為浸水前后泥質(zhì)軟巖填料的變形量與軸向應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系?？梢?jiàn)，當(dāng)軸向應(yīng)力分別為200kPa、400kPa和800kPa時(shí)，浸水后泥質(zhì)軟巖填料試件的變形量都高于浸水前試件，且隨著軸向應(yīng)力增加，浸水前后泥質(zhì)軟巖填料的變形量都呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。當(dāng)軸向應(yīng)力分別為200kPa、400kPa和800kPa時(shí)，浸水后泥質(zhì)軟巖填料試件的濕化變形率分別為1.96%、2.67%和3.00%，可見(jiàn)，浸水后泥質(zhì)軟巖填料試件的濕化變形率會(huì)隨著軸向壓力增加而增大，但是壓實(shí)度為93%時(shí)浸水后泥質(zhì)軟巖填料試件的濕化變形率整體不高。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）當(dāng)P5分別為50%、70%和90%時(shí)，泥質(zhì)軟巖填料的最佳含水率分別為9.86%、9.20%和8.74%，對(duì)應(yīng)的最大干密度分別為1.984g/cm3、2.144g/cm3和2.177g/cm3。在灑水和擊實(shí)作用下，3組不同P5試件的大粒徑顆粒含量都有不同程度降低，擊實(shí)后P5為50%、70%和90%的試件的不均勻系數(shù)分別增加至26.26、22.11和21.32，級(jí)配明顯改善。

（2）壓實(shí)度分別為93%、94%和96%的試件的平均膨脹量分別為1.40%、1.14%和0.85%;壓實(shí)度分別為93%、94%和96%的試件的承載比平均值分別為12.1%、18.2%和25.3%。

（3）壓實(shí)度為93%、94%和96%時(shí)泥質(zhì)軟巖填料試件的剪切強(qiáng)度與垂直壓力都滿(mǎn)足線性關(guān)系，分別為y=0.47149x+84.125、y=0.5422x+85.6和y=0.7308x+100.4。在相同的垂直壓力下，壓實(shí)度更大的泥質(zhì)軟巖填料試件的剪切強(qiáng)度會(huì)更大。

（4）當(dāng)軸向應(yīng)力分別為200kPa、400kPa和800kPa時(shí)，浸水后泥質(zhì)軟巖填料試件的濕化變形率分別為1.96%、2.67%和3.00%;浸水后泥質(zhì)軟巖填料試件的濕化變形率會(huì)隨著軸向壓力增加而增大，但是壓實(shí)度為93%時(shí)浸水后泥質(zhì)軟巖填料試件的濕化變形率整體不高。

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